Een hogere concentratie lithiumzout leidt niet automatisch tot betere prestaties van lithium-metaalbatterijen. Japanse onderzoekers hebben vastgesteld dat juist een tussenliggende concentratie zorgt voor een gelijkmatigere afzetting van lithium en een sterkere beschermlaag op het oppervlak van de batterij.
Afbeeldingsbron: Pexels
Het onderzoek is uitgevoerd door wetenschappers van het Institute for Materials Research van de Tohoku University. De resultaten werden op 29 juni gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift ACS Electrochemistry.
Lithium-metaal wordt onderzocht als materiaal voor een nieuwe generatie oplaadbare batterijen. Het kan volgens de onderzoekers meer energie opslaan dan de grafietanodes die in huidige batterijen worden gebruikt. Een belangrijk obstakel is dat tijdens het opladen naaldachtige lithiumstructuren kunnen ontstaan. Deze zogeheten dendrieten kunnen de levensduur van een batterij verkorten en veiligheidsrisico’s veroorzaken.
De onderzoekers bestudeerden elektrolyten met verschillende concentraties lithium-bis(trifluoromethaansulfonyl)imide, afgekort LiTFSI. Het zout werd opgelost in een mengsel van ethyleencarbonaat en propyleencarbonaat. Een elektrolyt zorgt tijdens het laden en ontladen voor het transport van lithiumionen tussen de elektroden.
Voor het onderzoek werden onder meer elektrochemische metingen, elektronenmicroscopie, impedantiespectroscopie, nano-indentatie en nucleaire magnetische resonantie gebruikt. Daarmee brachten de onderzoekers het transport van ionen in verband met de mechanische eigenschappen van de beschermende laag tussen de elektrode en het elektrolyt.
De beste resultaten werden gevonden bij elektrolyten met een LiTFSI-concentratie van 1 tot 2 molair. Bij deze concentraties bewogen de positief geladen lithiumionen en de negatief geladen TFSI-ionen ongeveer even snel door het elektrolyt. Daardoor ontstond een gelijkmatigere stroom van ionen naar het oppervlak van de elektrode.
Het lithium vormde daarbij gladde en dichte lagen, in plaats van ongelijkmatige en dendritische structuren. Ook ontstond een hardere en mechanisch stabielere beschermlaag.
De mogelijke toepassing in draagbare elektronica maakt het onderzoek onder meer relevant voor de verdere ontwikkeling van powerbanks. Bij het vergelijken van deze apparaten spelen naast de capaciteit ook het laadvermogen, de veiligheid en de verwachte levensduur een rol, aldus Powerbanks.nl.
Ook bij elektrische vervoermiddelen bepaalt de accu voor een belangrijk deel hoe een product kan worden gebruikt. Elektrischesteps-volwassenen.nl noemt de actieradius een van de belangrijkste criteria bij de keuze voor een elektrische step en wijst erop dat de afstand die met één acculading kan worden afgelegd sterk per accu verschilt.
De ontwikkeling van batterijtechnologie raakt daarnaast een bredere groep elektronische consumentenproducten. Fitnessapparaatwijzer neemt connectiviteit mee bij het beoordelen van fitnessapparaten en noemt onder meer koppelingen met fitnessapps en ondersteuning voor Bluetooth bij moderne crosstrainers en roeitrainers.
Bij lagere zoutconcentraties waren de beschermlagen zwakker en ontstonden poreuze lithiumafzettingen. Bij zeer hoge concentraties nam de beweeglijkheid van de ionen af en werd het elektronentransport belemmerd. Ook dat leidde uiteindelijk tot een ongelijkmatige groei van lithium.
Volgens de onderzoekers laat de studie zien dat bij de ontwikkeling van lithium-metaalbatterijen niet alleen naar een zo hoog mogelijke zoutconcentratie moet worden gekeken. De balans tussen het ionentransport en de stabiliteit van de beschermlaag is eveneens van belang.
De resultaten kunnen volgens de onderzoekers worden gebruikt bij de ontwikkeling van oplaadbare lithium-metaalbatterijen voor elektrische voertuigen, draagbare elektronica en grootschalige opslag van hernieuwbare energie. Het onderzoek biedt daarmee richtlijnen voor batterijen met een hogere energiedichtheid, een langere levensduur en een betere veiligheid.
Bronnen:
Finding the Sweet Spot for Safer, Longer-lasting Lithium Metal Batteries